Рассмотрена архитектура КМОП-АЦП с цифровым прогнозированием входного аналогового сигнала и преобразованием сигнала ошибки секционным АЦП с аналоговой сверткой. Показано, что 12-разрядный КМОП-АЦП с проектными нормами 0,18 мкм обеспечивает высокую точность и скорость преобразования до 600…1000 млн. выборок/с при эксплуатации в «жестких» условиях. Отмечено, что путем несложной модификации рассмотренной архитектуры можно увеличить разрядность КМОП-АЦП до 14 бит.
КМОП, АЦП, ключ, точность, долговечность
I. ВВЕДЕНИЕ
Практика эксплуатации традиционных КМОП-АЦП на переключаемых конденсаторах, накопленная в последние годы, показывает, что точностные характеристики таких АЦП деградируют с течением вре-мени. Этот процесс существенно ускоряется при эксплуатации в «жестких» условиях, которые характеризуются наличием импульсных электрических и ионизирующих излучений, тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов. Простое применение КНИ-структур в данном случае не приводит к принципиальному улучшению наблюдаемой ситуации.
Отмеченная проблема привела к негативным последствиям, которые стали тормозить развитие ряда научно-технических и промышленных секторов экономики России. Диапазон таких последствий достаточно широк – от автомобильной промышленности и средств радиосвязи, до ядерной энергетики и космических объектов, особенно ориентированных на, так называемый, дальний космос.
Способы решения эксплуатационной проблемы в аналогичных секторах экономики зарубежных стран в открытой печати практически не обсуждаются. Од-нако это вовсе не означает, что данной проблеме за рубежом не уделяется должного внимания.
Основной причиной деградации характеристик традиционных КМОП-АЦП является утечка ключевых МОП-транзисторов, используемых для переключения конденсаторов в процессе преобразования аналоговых сигналов. Сами по себе конденсаторы, создаваемые в процессе изготовления кристаллов АЦП, обычно не вызывают претензий к качеству и надежности. По-иному обстоит дело с ключевыми МОП-транзисторами. Очень часто совсем незначительная на первый взгляд деградация характеристик этих транзисторов вызывает изменение зарядового состояния конденсаторов, которое приводит к замет-ному ухудшению точности устройств выборки/хранения информации (УВХ) и, в целом, всего тракта преобразования аналоговых сигналов. В итоге появилось понимание, что изящная на первый взгляд конденсаторная архитектура КМОП-АЦП оказывается недостаточно пригодной для построения аппаратуры для эксплуатации в «жестких» условиях.
Первым шагом в преодолении отмеченной выше проблемы можно считать создание 8…10-разрядных КМОП-АЦП с аналоговой сверткой [1, 2] и предсказанием входного аналогового сигнала [3, 4]. В таких
1. Taft R.C. A 1,8-V 1,6-GS/s 8-b Self-calibrating Folding ADC with 7,26 ENOB at Nyquist frequency / R.C. Taft, C.A. Menkus, M.R. Tursi, O. Hidri and V. Pons // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2004. – vol. 39. – No. 12, pp. 2107-2115.
2. Рембеза, С. И. Высокоскоростной безконденсаторный КМОП-АЦП с интерполирующими защелками и реверсируемым тактированием [Текст] / С. И. Рембеза, В. С. Кононов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. – Т. 8. – № 2. – С. 23-26.
3. U.S. Patent №5.266.952 – Wade Y. Stone et. Al. (1993): Feed Forward predictive Analog-to-digital converter.
4. Рембеза, С. И. Цифровое прогнозирование входного аналогового сигнала в 16-разрядном КМОП-АЦП с КНИ-подложкой [Текст] / С. И. Рембеза, В. С. Кононов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2013. – Т. 9. – № 2. – С. 27-32.
